Farben und Farbstoffe

Farben und Farbstoffe – jetzt wird es bunt

Ohne Farben wäre die Welt dunkel und grau. Doch was sind eigentlich Farben und wie erkennen wir Farben? Farbigkeit ist ein chemisch-physikalischer Prozess, der in diesem Text erklärt werden soll.

Die Entstehung von Farbigkeit

Alle Farben, die wir kennen, sind nichts anderes als Licht. Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen. Die Wellenlänge für den für Menschen sichtbaren Bereich des Lichts liegt im Bereich von 380 bis 780 nm. Weißes Licht ist eine Mischung verschiedener Farben. Aus dem weißen Licht kann auf drei verschiedenen Wegen Farbigkeit entstehen:

Dass der Mensch Farben wahrnehmen kann, verdanken wir speziellen Lichtsinneszellen in der Netzhaut, den Zapfen. Mit den Zapfen können die Farben Rot, Blau und Grün wahrgenommen werden, die auch als Grundfarben bezeichnet werden. Alle anderen Farben ergeben sich durch Farbaddition aus diesen drei Grundfarben. Neben den Zapfen enthält die menschliche Netzhaut weitere Lichtsinneszellen, die sogenannten Stäbchen. Mit diesen Sinneszellen können hell und dunkel unterschieden werden.

Die Bedeutung von Farben

Farben sind nicht nur schön zu betrachten, sondern erfüllen in der Natur auch eine wichtige Funktion, z. B. als Warnfarben oder um bestäubende Insekten anzuziehen. Ein wichtiger Industriezweig ist das Färben von Textilien oder Lebensmitteln. Bevor der Mensch in der Lage war, Farbstoffe technisch zu synthetisieren, wurden Farben in der Regel aus Mineralien gewonnen. Auch hier spielten die Grundfarben eine wichtige Rolle. Blau wurde aus Azurit, Grün aus Malachit und Rot aus Zinnober gewonnen.

Die Struktur von Farbstoffmolekülen

Bei Farbstoffmolekülen handelt es sich in der Regel um organische Verbindungen, die über funktionelle Gruppen mit Mehrfachbindungen verfügen. Dieses System aus Mehrfachbindungen wird als Chromophor bezeichnet. Die Mehrfachbindungen besitzen delokalisierte $\pi$-Elektronen, die im sichtbaren Bereich des Lichts absorbieren.

Die $\pi$-Elektronen können verschiedene Energieniveaus besetzen. Durch die Absorption von Licht einer bestimmten Wellenlänge können die Elektronen in einen höheren Energiezustand befördert werden. Kehren die Elektronen in den Grundzustand zurück, wird die freigesetzte Energie in Form von Wärme oder als Licht bestimmter Wellenlänge wieder abgegeben. Dieses Phänomen wird als Fluoreszenz bezeichnet.

Farbstoffklassen

In diesem Abschnitt werden einige Farbstoffklassen vorgestellt.

Azofarbstoffe

Die Azofarbstoffe bilden mit mehr als 2 000 Vertretern eine der wichtigsten Gruppen synthetisch hergestellter Farbmittel. Namensgebend für die Azofarbstoffe ist die Azogruppe, die an beiden Seiten aromatische Reste gebunden hat. Als Beispiel ist hier der Azofarbstoff 4-Hydroxyazobenzol dargestellt:

Über die aromatischen Reste bis hin zur Azogruppe zieht sich ein mesomeres $\pi$-Elektronensystem, das der Grund für die Farbigkeit von Azoverbindungen ist. Azofarbstoffe sind durch eine intensive Färbung gekennzeichnet. Sie werden zum Färben von Leder, Kleidung und Lebensmitteln verwendet.

Anthrachinonfarbstoffe

Die Anthrachinonfarbstoffe leiten sich vom Anthrachinon ab. Durch Substitution verschiedener Gruppen, beispielsweise durch Hydroxy-, Amino-, Sulfonsäure- oder aromatische Gruppen, erhält man eine Vielzahl farbiger Verbindungen:

Triphenylmethanfarbstoffe

Grundlage aller Triphenylmethanfarbstoffe ist das Molekül Triphenylmethan. Es besteht aus einem zentralen Carbeniumion mit drei gebundenen Benzolringen:

Durch Substituenten an den Benzolringen entsteht eine Vielfalt an Farbstoffmolekülen. Ein bekannter Vertreter der Triphenylmethanfarbstoffe ist der Indikator Phenolphthalein.

Indigofarbstoffe

Indigo ist ein blauer Farbstoff, der ursprünglich aus Pflanzen isoliert worden ist:

Durch Substitution an den Benzolringen erhält man aus diesem blauen Farbstoff eine Vielzahl an Farbstoffen, die fast das gesamte Farbspektrum abdecken.

Polymethinfarbstoffe

Polymethinfarbstoffe bestehen aus einer Kette miteinander verbundener Methinmoleküle. An den Enden der Methinkette sind funktionelle Gruppen gebunden, die mit den Methinmolekülen eine mesomere Grenzstruktur bilden, die die Farbigkeit dieser Stoffe hervorrufen.

Schwefelfarbstoffe

Grundlage der Schwefelfarbstoffe ist das Molekül Benzothiazol:

Schwefelfarbstoffe bilden ein komplexes System aus vielen miteinander verbundenen Benzothiazolmolekülen und werden hauptsächlich zum Färben von Textilien eingesetzt.

Farben und Farbstoffe – Zusammenfassung

Häufig gestellte Fragen zum Thema Farben und Farbstoffe